CN104897067A - 一种测量相对位移的激光图像实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量相对位移的激光图像实时监测方法，将光学基准模块安装在被监测结构上，将激光图像采集模块安装在基准面上，光学基准模块包括二维旋转台和固装在其上的激光发射器，二维旋转台采用驱动器和减速机驱动；激光图像采集模块包括滤光透射屏和CCD相机，CCD相机的视场与滤光透射屏平行，滤光透射屏位于CCD相机的焦距位置处；激光发射器发射的激光打在滤光透射屏上；CCD相机对滤光透射屏上的激光光斑进行图像数据采集，并将图像数据实时传输给监测上位机；监测上位机首先计算被监测结构的位移，然后，判断被监测结构的位移是否超过安全阈值，如果是，控制报警器报警。本发明能够实现远距离、自动化和24小时实时监测。

Description

一种测量相对位移的激光图像实时监测方法

技术领域

本发明涉及一种大型交通基础设施的安全监测方法，特别是一种测量相对位移的激光图像实时监测方法。

背景技术

随着我国综合国力的日益增强，交通运输事业发展迅速，各类桥梁、涵洞及隧道等大型基础设施在铁路和公路交通工程中的重要性日益突出，其安全检测必不可少。大型交通基础设施的安全监测项目主要包括工程基体的沉降、倾斜、混凝土徐变对长时间挠度的影响、地质灾害及洪水对结构体的损伤及内应力造成的结构形变等。但近几年来，大型交通基础设施的工程事故呈频发趋势，严重威胁着人民生命财产安全。多个铁路隧道相继发生塌方事故，伤亡惨重。究其原因，长期以来，上述项目的安全监测方法相对落后，所使用的仪器包括水平尺、水准仪、全站仪和经纬仪等，主要采用人工定期检测并进行数据比对的方式。这种传统方法精度低，干扰因素多，费时费力，也容易威胁到检测人员的安全，所以传统监测手段已无法适应大型交通基础设施安全性监测的需求。具有高度自动化、高精度、能在无人值守的情况下长期不间断实时监测、不干扰车辆营运和工程施工、快速报警、校准方便、能应用在恶劣的工程环境、具有较强的抗干扰能力、可组网实现远程数据的远程通讯等特点，适用于大型交通基础设施安全性的实时监控预警***的研制任务迫在眉睫。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种测量相对位移的激光图像实时监测方法，该方法能够适用大型交通基础设施的安全监测，并具有高度自动化、高精度、能在无人值守的情况下长期远距离不间断实时监测、不干扰车辆营运和工程施工、快速报警、校准方便、有较强的抗干扰能力、可组网实现远程数据的远程通讯等特点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种测量相对位移的激光图像实时监测方法，其特征在于，将光学基准模块安装在被监测结构上，将激光图像采集模块安装在基准面上，所述光学基准模块包括二维旋转台和固装在其上的激光发射器，所述二维旋转台采用驱动器和减速机组件驱动；所述激光图像采集模块包括滤光透射屏和CCD相机，所述CCD相机的视场与所述滤光透射屏平行，所述滤光透射屏位于所述CCD相机的焦距位置处；所述激光发射器发射的激光打在所述滤光透射屏上；所述CCD相机对所述滤光透射屏上的激光光斑进行图像数据采集，并将图像数据实时传输给监测上位机；所述监测上位机首先计算被监测结构的位移：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}y=a\×\mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}z=b\×\mathrm{\Δ}Z\end{array}\right.$

其中：Δy是空间坐标系中被监测结构在的水平位移，Δz是空间坐标系中被监测结构在的竖直位移；ΔY是图像坐标系中光斑在水平方向的变化量；ΔZ是图像坐标系中光斑在竖直方向的变化量；所述空间坐标系以滤光透射屏法向方向为x轴，水平方向为y轴，竖直方向为z轴；所述图像坐标系以水平方向为Y轴，竖直方向为Z轴；a和b是空间坐标系和图像坐标系的转换系数；然后，所述监测上位机判断被监测结构的位移是否超过安全阈值，如果是，控制报警器报警，如果否，继续接收所述CCD相机传输的图像数据；所述驱动器由所述监测上位机控制。

在所述驱动器和减速机组件中的减速机的减速比确定的条件下，通过设置驱动器的细分来控制所述激光发射器发出的激光光束的调整分辨率。

所述CCD相机与所述监测上位机采用无线通讯的方式进行数据传输。

所述报警器为声光报警器。

本发明具有的优点和积极效果是：采用相机采集激光光斑的方式，检测激光发射端与屏幕接收端的相对位移，并与上位机相结合，能够实现远距离、自动化和24小时实时监测。利用激光的单色性，能够得到高信噪比的信号，提高了监测的可靠性，可以在野外气候条件下使用，测量范围广，操作简单。尤其在大型交通基础设施的安全监测中，具有高度自动化、高精度、能在无人值守的情况下长期不间断地实时监测、不干扰车辆营运和工程施工、快速报警、校准方便、有较强的抗干扰能力、可组网实现远程数据的远程通讯等特点。综上所述，本发明采用激光图像远距离监测结构变形，克服了现有仪器监测操作人员主观性强，不便实时监控，精度较低，不能多点同时监测等缺点。在监测隧道、矿井变形时能够及时发现危险，发出预警，保证施工安全。

附图说明

图1为用于本发明的硬件结构示意图；

图2为本发明的激光投射原理图；

图3为本发明的空间坐标系示意图；

图4为本发明的图像坐标系示意图；

图5为本发明的上位机工作流程图。

图中：1、激光发射器；2、二维旋转台；3、滤光透射屏；4、CCD相机；5、无线数据传输模块；6、监测上位机；7、激光图像采集模块；8、光学基准模块；9、报警器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图5，一种测量相对位移的激光图像实时监测方法，将光学基准模块8安装在被监测结构上，将激光图像采集模块7安装在基准面上，所述光学基准模块8包括二维旋转台2和固装在其上的激光发射器1，所述二维旋转台2采用驱动器和减速机组件驱动；所述激光图像采集模块7包括滤光透射屏3和CCD相机4，所述CCD相机4的视场与所述滤光透射屏3平行，所述滤光透射屏3位于所述CCD相机4的焦距位置处；所述激光发射器1发射的激光打在所述滤光透射屏3上；所述CCD相机1对所述滤光透射屏3上的激光光斑进行图像数据采集，并将图像数据实时传输给监测上位机6；所述监测上位机6首先计算被监测结构的位移：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}y=a\×\mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}z=b\×\mathrm{\Δ}Z\end{array}\right.$

其中：Δy是空间坐标系中被监测结构在的水平位移，Δz是空间坐标系中被监测结构在的竖直位移；ΔY是图像坐标系中光斑在水平方向的变化量；ΔZ是图像坐标系中光斑在竖直方向的变化量；所述空间坐标系以滤光透射屏3法向方向为x轴，水平方向为y轴，竖直方向为z轴；所述图像坐标系以水平方向为Y轴，竖直方向为Z轴；a和b是空间坐标系和图像坐标系的转换系数；然后，所述监测上位机6判断被监测结构的位移是否超过安全阈值，如果是，控制报警器9报警，如果否，继续接收所述CCD相机4传输的图像数据；所述驱动器由所述监测上位机6控制，驱动器驱动二维旋转台2进行水平偏转或上下俯仰，进而对激光发射器1的指向进行调整，当方向调整到位后，二维旋转台会自动锁死。

在本实施例中，所述CCD相机4与所述监测上位机6通过无线数据传输模块5进行通讯，采用无线通讯的方式进行数据传输。所述报警器9采用声光报警器。

为了满足本发明的高精度需求，要求激光光束的调整分辨率与图像采集模块7的检测精度匹配。如图2所示，当激光发射器1发出激光光束从A方向旋转到B方向时，转过一个小角度α，对应着激光光斑移动的距离为Δd。由于激光发射器1与滤光透射屏3之间的距离L很远，可以近似认为α和Δd的转换关系式为：

Δd＝L×α

假设图像采集模块7的检测精度为1mm，那么激光光束的调整分辨率也应为1mm，而激光光束的调整分辨率取决于二维旋转台的旋转调整精度。当检测距离为50m时，由上述公式可知：二维旋转台的旋转调整精度近似为4″。为了满足激光光束调整分辨率的要求，本发明使用60:1减速比的减速机，然后设置驱动器为6400细分，可实现3.375″的转动调整精度，满足激光光束调整分辨率要求。

综上所述，本发明在所述驱动器和减速机组件中的减速机的减速比确定的条件下，通过设置驱动器的细分来控制所述激光发射器发出的激光光束的调整分辨率。

本发明为了提高监测的动态响应范围，不采用CCD相机4直接拍摄激光光束，而是将激光光束投射到CCD相机4前的一块滤光透射屏3上，然后使用相机4拍摄屏幕上激光形成的光斑。

在本发明中，监测上位机6通过检测图像坐标系中的光斑位移来计算被监测结构的位移。具体过程为：

一)定义空间坐标系和图像坐标系

请参见图3，将空间坐标系定义为：x轴为滤光透射屏3法向方向，y轴为空间水平轴，z轴为空间竖直轴。请参见图4，将图像坐标系定义为：Y轴为图像水平轴，Z轴为图像竖直轴。

二)计算被监测结构的位移

请参见图4，CCD相机4直接采集滤光透射屏3上的光斑图像，传输至监测上位机6，经过监测上位机6计算后，得到在图像坐标系中的光斑位移，其单位是像素，再测量滤光透射屏3上的光斑在空间坐标系中的位移，就可以标定得出空间坐标系和图像坐标系之间的转换系数a、b，a为空间坐标系中光斑在滤光透射屏3上的水平位移Δy与图像坐标系中光斑在水平方向的变化量ΔY的比值，b为空间坐标系中光斑在滤光透射屏3上的竖直位移Δz与图像坐标系中光斑在竖直方向的变化量ΔZ的比值，且a、b为常量。

即空间坐标系和图像坐标系有如下转换关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}y=a\×\mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}z=b\×\mathrm{\Δ}Z\end{array}\right.$

监测上位机6将计算得到的图像坐标系中光斑的变化量(ΔY，ΔZ)乘以系数a、b即可获得激光光斑在透射滤光屏3上的位移(Δy，Δz)，因为，激光发射器1发射的激光角度不变，所以，激光光斑在透射滤光屏3上的位移(Δy，Δz)也是光学基准模块8在空间坐标系下的位移，因为，光学基准模块8是安装在被监测结构上，所以(Δy，Δz)也是被监测结构的位移。

三)判断

当Δy、Δz超过相关人设定的安全阈值时，监测上位机6给报警器9发出控制信号，使其发出报警信号，及时提醒工作人员进行安全疏散。工作人员也可以随时查看数据记录，通过数据变化推测出被监测结构的变形是否安全，防患于未然。

一个上述监测上位机可以与多个无线数据传输模块进行通讯，同时监测多路激光图像采集模块的数据信息，并对其进行数据处理。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测量相对位移的激光图像实时监测方法，其特征在于，将光学基准模块安装在被监测结构上，将激光图像采集模块安装在基准面上，所述光学基准模块包括二维旋转台和固装在其上的激光发射器，所述二维旋转台采用驱动器和减速机组件驱动；所述激光图像采集模块包括滤光透射屏和CCD相机，所述CCD相机的视场与所述滤光透射屏平行，所述滤光透射屏位于所述CCD相机的焦距位置处；所述激光发射器发射的激光打在所述滤光透射屏上；

所述CCD相机对所述滤光透射屏上的激光光斑进行图像数据采集，并将图像数据实时传输给监测上位机；

所述监测上位机首先计算被监测结构的位移：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}y=a\×\mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}z=b\×\mathrm{\Δ}Z\end{array}\right.$

其中：Δy是空间坐标系中被监测结构在的水平位移，Δz是空间坐标系中被监测结构在的竖直位移；ΔY是图像坐标系中光斑在水平方向的变化量；ΔZ是图像坐标系中光斑在竖直方向的变化量；所述空间坐标系以滤光透射屏法向方向为x轴，水平方向为y轴，竖直方向为z轴；所述图像坐标系以水平方向为Y轴，竖直方向为Z轴；a和b是空间坐标系和图像坐标系的转换系数；

然后，所述监测上位机判断被监测结构的位移是否超过安全阈值，如果是，控制报警器报警，如果否，继续接收所述CCD相机传输的图像数据；

所述驱动器由所述监测上位机控制。

2.根据权利要求1所述的测量相对位移的激光图像实时监测方法，其特征在于，在所述驱动器和减速机组件中的减速机的减速比确定的条件下，通过设置驱动器的细分来控制所述激光发射器发出的激光光束的调整分辨率。

3.根据权利要求1所述的测量相对位移的激光图像实时监测方法，其特征在于，所述CCD相机与所述监测上位机采用无线通讯的方式进行数据传输。

4.根据权利要求1所述的测量相对位移的激光图像实时监测方法，其特征在于，所述报警器为声光报警器。